49060

Сканирующая туннельная микроскопия

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

История создания сканирующего туннельного микроскопа Сканирующие элементы зондовых микроскопов Недостатки пьезокерамики Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца Шаговые электродвигатели Шаговые пьезодвигатели Измерительные методики СТМ Топографический режим Токовый режим Туннельная спектроскопия ВАХ контакта металлметалл ВАХ контакта металл полупроводник ВАХ контакта...

Русский

2013-12-20

1.64 MB

124 чел.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра Нанотехнологии и инженерной физики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Экспериментальные методы исследования и метрология»

    (наименование учебной дисциплины)

на тему: «Сканирующая туннельная микроскопия»

Специальность (направление подготовки) 210600 - «Нанотехнология»

        (код, наименование)

Автор работы   Куценко А. В.       __________________

  (инициалы, фамилия)     (подпись, дата)

Группа НТ – 01б

Руководитель работы    А.Е. Кузько       ______________________

   (инициалы, фамилия)   (подпись, дата)

Работа защищена _____________

   (дата)

Оценка ________________________

Председатель комиссии  А.П. Кузьменко    ___________________

    (инициалы, фамилия)   (подпись, дата)

Члены комиссии       А.И. Жакин       ___________________

    (инициалы, фамилия)   (подпись, дата)

 П.А. Ряполов      ___________________

    (инициалы, фамилия)   (подпись, дата)

  А.Е.  Кузько       ___________________

    (инициалы, фамилия)   (подпись, дата)

Курск, 2013 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЮГО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра Нанотехнологии и инженерной физики

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Студент Куценко А. В.  шифр __06141__  группа НТ-01б

  1.  Тема «Сканирующая туннельная микроскопия»
  2.  Срок представления работы к защите «___»  мая 2013 г.
  3.  Исходные данные (для научного исследования):

__________________________________________________________________________________________________________________________________

  1.  Содержание пояснительной записки курсовой работы:
  2.  Введение
  3.  История создания сканирующего туннельного микроскопа
  4.  Сканирующие элементы зондовых микроскопов
  5.  Измерительные методики СТМ
  6.  Заключение

Руководитель работы    А.Е. Кузько       ______________________

   (инициалы, фамилия)   (подпись, дата)

Задание принял к исполнению   Куценко А. В.     ________________

     (инициалы, фамилия)       (подпись, дата)


МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

ОТЗЫВ

руководителя курсовой работы         доц., к.ф.-м.н.    А.Е. Кузько___________

         (учёная степень, учёное звание, должность, фамилия, имя, отчество)

о курсовой работе студента              Куценко Александра Владимировича

            (фамилия, имя, отчество)

группы НТ-01б направления (специальности) 210600 Нанотехнология

Тема курсовой работы: «Сканирующая туннельная микроскопия»

Курсовая работа студента Куценко А. В. посвящена рассмотрению устройства и режимов работы сканирующего туннельного микроскопа.

В ходе работы над курсовой работой Куценко А. В. проявил умение находить качественный материал по данной теме и грамотно его систематизировать. В результате работа получилась целостной и информативной.

Графический материал выполнен в соответствии с ГОСом. Подготовлен доклад по теме курсовой работы с презентацией.

Считаю, что, учитывая сложность, объём и качество выполненной работы студент Куценко А. В. может быть допущен к защите курсовой работы.

 

Курсовая работа может быть допущена к защите.

  _______________________                ___А.Е. Кузько_______

   (подпись, дата)     (инициалы, фамилия)


Оглавление

[1] Оглавление

[2] Введение

[3] История создания сканирующего туннельного микроскопа

[4] Сканирующие элементы зондовых микроскопов

[5] Недостатки пьезокерамики

[6] Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца

[7] Шаговые электродвигатели

[8] Шаговые пьезодвигатели

[9] Измерительные методики СТМ

[10] Топографический режим

[11] Токовый режим

[12] Туннельная спектроскопия

[13] ВАХ контакта металл-металл

[14] ВАХ контакта металл - полупроводник

[15] ВАХ контакта металл - сверхпроводник

[16] Заключение

[17] Список используемой литературы

[18] Приложение А

[19] Приложение Б


Введение

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. За последние 10 лет сканирующая зондовая микроскопия превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент для исследования свойств поверхности. В настоящее время практически ни одно исследование в области физики поверхности и тонкопленочных технологий не обходится без применения методов СЗМ. Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для развития новых методов в нанотехнологии – технологии создания структур с нанометровыми масштабами.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – первый из семейства зондовых микроскопов. Именно он и будет рассматриваться в этой работе.

В сканирующих зондовых микроскопах исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0,1 – 10 нм. В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Различные типы силового взаимодействия лежат в основе работы атомно-силового, магнитно-силового и электросилового микроскопов. Так, работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом.

Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков – материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле.

Цель данной курсовой работы заключается в рассмотрении устройства, принципов и режимов работы сканирующего туннельного микроскопа.


  1.  История создания сканирующего туннельного микроскопа

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X, Y, Z-позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (приложение А, рисунок А1, а). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние ≤ 10 Å, то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения Vs через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток It порядка 10-9 Å. Полагая, что электронные состояния (орбитали) локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и/или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи Z можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне. Эта структура может быть отображена в двух режимах: измеряя туннельный ток и поддерживая расстояние δz от острия до поверхности образца или измеряя изменения в положении острия (то есть расстояние до поверхности образца) при постоянном туннельном токе (второй режим используется чаще).

Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз (а значит, изображение не искажается из-за аберраций), энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

История создания этой методики берет свое начало с конца 60-х годов XX века, когда Р. Янг (Национальное бюро стандартов, США) попытался использовать электронное туннелирование для исследования геометрической структуры поверхности. С этой целью он разработал прибор, названный им топографиметром, весьма напоминающий современный СТМ за одним принципиальным исключением: сканирование осуществлялось на расстоянии ~100 Å от поверхности и в режиме полевой электронной эмиссии (а не вакуумного туннелирования). В результате удалось наблюдать, например, поверхность дифракционной решетки (~180 линий/мм), но с разрешением лишь несколько сот ангстрем.

В ноябре 1978 года будущие Нобелевские лауреаты Бинниг и Рорер вернулись к идее использования вакуумного туннелирования для локальной спектроскопии тонких оксидных слоев на металлах. Для перемещения острия на малые расстояния и поддержания ширины вакуумного зазора с субангстремной точностью были использованы пьезоэлектрические материалы и система обратной связи (приложение А, рисунок А1, а).

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:

1) изоляция от акустических и механических вибраций;

2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;

3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;

4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние δz, равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (приложение А, рисунок А1, а).

Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена в приложении А на рисунке А1, б. На пьезоэлемент pz подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы px и py под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения Vz запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x, y), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока It от расстояния δz острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

Основная область применения СТМ - физика поверхности твердых тел. Уже первые эксперименты по исследованию поверхности золота Au(100), относительно которой из данных ДМЭ было известно, что она испытывает реконструкцию , позволили наблюдать различные сверхструктуры и ступеньки моноатомной высоты (приложение Б), что бесспорно свидетельствовало о разрешении прибора порядка нескольких ангстрем (сами исследователи ожидали получить геометрическое разрешение по плоскости наблюдения не более 45 Å). И стало ясно, что в руках ученых появился уникальный инструмент, позволяющий наблюдать на поверхности отдельные атомы.


  1.  Сканирующие элементы зондовых микроскопов

Для работы зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью (на уровне долей ангстрема). Эта задача решается с помощью специальных манипуляторов - сканирующих элементов (сканеров). Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков – материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрики изменяют свои размеры во внешнем электрическом поле. Уравнение обратного пьезоэффекта для кристаллов записывается в виде:

;     (2.1)

где  - тензор деформаций,  - компоненты электрического поля,  - компоненты тензора пьезоэлектрических коэффициентов. Вид тензора пьезоэлектрических коэффициентов определяется типом симметрии кристаллов.

В различных технических приложениях широкое распространение получили преобразователи из пьезокерамических материалов. Пьезокерамика представляет собой поляризованный поликристаллический материал, получаемый методами спекания порошков из кристаллических сегнетоэлектриков. Поляризация керамики производится следующим образом. Керамику нагревают выше температуры Кюри (для большинства пьезокерамик эта температура менее 300°С), а затем медленно охлаждают в сильном (порядка 3 кВ/см) электрическом поле. После остывания пьезокерамика имеет наведенную поляризацию и приобретает способность изменять свои размеры (увеличивать или уменьшать в зависимости от взаимного направления вектора поляризации и вектора внешнего электрического поля).

Пьезокерамики представляют собой пьезоэлектрические текстуры. Вид тензора пьезоэлектрических констант для пьезокерамик существенно упрощается – отличными от нуля являются только три коэффициента d33, d31, d15, характеризующие продольные, поперечные (по отношению к вектору поляризации) и сдвиговые деформации. Рассмотрим плоскую пластину из пьзокерамики (рисунок 2.1) во внешнем поле. Пусть вектор поляризации  и вектор электрического поля  направлены вдоль оси X. Тогда, обозначая d||=d33 и d=d31 , получаем, что деформации пьезокерамики в направлении, параллельном полю, равна uxx= d||Ex, а в перпендикулярном полю направлении urr=d Ex.

Рисунок 2.1. Пластина из пьезокерамики во внешнем электрическом поле

В сканирующей зондовой микроскопии широкое распространение получили трубчатые пьзоэлементы (рисунок 2.2). Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Трубчатые пьезоэлементы представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезокерамических материалов. Обычно электроды в виде тонких слоев металла наносятся на внешнюю и внутреннюю поверхности трубки, а торцы трубки остаются непокрытыми. Под действием разности потенциалов между внутренним и внешним электродами трубка изменяет свои продольные размеры.

Рисунок 2.2. Трубчатый пьезоэлемент

В этом случае продольная деформация под действием радиального электрического поля может быть записана в виде:

    (2.2)

где  - длина трубки в недеформированном состоянии.

Абсолютное удлинение пьезотрубки равно

,     (2.3)

где h – толщина стенки пьезотрубки, V - разность потенциалов между внутренним и внешним электродами. Таким образом, при одном и том же напряжении V удлинение трубки будет тем больше, чем больше ее длина и чем меньше толщина ее стенки.

Соединение трех трубок в один узел (рисунок 2.3) позволяет организовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом.

Рисунок 2.3. Сканирующий элемент в виде трипода, собранный на трубчатых пьезоэлементах

Недостатками такого сканера являются сложность изготовления и сильная асимметрия конструкции. На сегодняшний день в сканирующей зондовой микроскопии наиболее широко используются сканеры, изготовленные на основе одного трубчатого элемента. Общий вид трубчатого сканера и схема расположения электродов представлены на рисунке 2.4. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации.

Рисунок 2.4. Трубчатый пьезосканер

Внутренний электрод обычно сплошной. Внешний электрод сканера разделен по образующим цилиндра на четыре секции. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении. Таким образом осуществляется сканирование в плоскости X,Y. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси Z. Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки. Реальные сканирующие элементы имеют часто более сложную конструкцию, однако принципы их работы остаются теми же самыми.

Широкое распространение получили также сканеры на основе биморфных пьзоэлементов. Биморф представляет собой две пластины пьезоэлектрика, склеенные между собой таким образом, что вектора поляризации в каждой из них направлены в противоположные стороны (рисунок 2.5). Если подать напряжение на электроды биморфа, как показано на рисунке 2.5, то одна из пластин будет расширяться, а другая сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента. В реальных конструкциях биморфных элементов создается разность потенциалов между внутренним общим и внешними электродами так, чтобы в одном элементе поле совпадало с направлением вектора поляризации, а в другом было направлено противоположно.

Рисунок 2.5. Устройство биморфного пьезоэлемента

Изгиб биморфа под действием электрических полей положен в основу работы биморфных пьезосканеров. Объединяя три биморфных элемента в одной конструкции, можно реализовать трипод на биморфных элементах (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Трехкоординатный сканер на трех биморфных элементах

Если внешние электроды биморфного элемента разделить на четыре сектора, то можно организовать движение зонда по оси Z и в плоскости X,Y на одном биморфном элементе (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7. Схематическое изображение работы биморфного пьезосканера

Действительно, подавая противофазные напряжения на противоположные пары секций внешних электродов, можно изгибать биморф так, что зонд будет двигаться в плоскости X,Y (рисунок 2.7 (а, б)). А изменяя потенциал внутреннего электрода относительно всех секций внешних электродов, можно прогибать биморф, перемещая зонд в направлении Z (рисунок 2.7 (в, г)).

  1.  Недостатки пьезокерамики

Несмотря на ряд технологических преимуществ перед кристаллами, пьезокерамики обладают некоторыми недостатками, отрицательно влияющими на работу сканирующих элементов. Одним из таких недостатков является нелинейность пьезоэлектрических свойств. На рисунке 2.1.1 в качестве примера приведена зависимость величины смещения пьезотрубки в направлении Z от величины приложенного поля. В общем случае (особенно при больших управляющих полях) пьезокерамики характеризуются нелинейной зависимостью деформации от поля (или от управляющего напряжения). Таким образом, деформация пьезокерамики является сложной функцией внешнего электрического поля:

.    (2.1.1)

Для малых управляющих полей данная зависимость может быть представлена в следующем виде:

  (2.1.2)

где  и  -линейные и квадратичные модули пьезоэлектрического эффекта.

Рисунок 2.1.1. Схематичное изображение зависимости смещения керамики от величины приложенного электрического поля

Типичные значения полей E*, при которых начинают сказываться нелинейные эффекты, составляют порядка 100 В/мм. Поэтому для корректной работы сканирующих элементов обычно используются управляющие поля в области линейности керамики (E<E*).

Другим недостатком пьезокерамики является так называемый крип (creep - ползучесть) – запаздывание реакции на изменение величины управляющего электрического поля. На рисунке 2.1.2 схематично показаны временные диаграммы изменения управляющих полей и соответствующих смещений сканера по оси Z и в плоскости X,Y.

Рисунок 2.1.2. Схематические временные диаграммы изменения управляющего поля на Z-электроде в цепи обратной связи и на X-электроде в процессе сканирования (показаны синим цветом). Красным цветом схематично показаны зависимости, соответствующие реакции сканера на изменение управляющих напряжений

Крип приводит к тому, что в СЗМ изображениях наблюдаются геометрические искажения, связанные с этим эффектом. Особенно сильно крип сказывается при выводе сканера в заданную точку для проведения локальных измерений и на начальных этапах процесса сканирования. Для уменьшения влияния крипа керамики применяются временные задержки в указанных процессах, позволяющие частично скомпенсировать запаздывание сканера.

Еще одним недостатком пьезокерамик является неоднозначность зависимости удлинения от направления изменения электрического поля (гистерезис).

Рисунок 2.1.3. Зависимость величины смещения пьезотрубки от величины и направления приложенного напряжения

Это приводит к тому, что при одних и тех же управляющих напряжениях пьезокерамика оказывается в различных точках траектории в зависимости от направления движения (рисунок 2.1.3). Для исключения искажений СЗМ изображений, обусловленных гистерезисом пьезокерамики, регистрацию информации при сканировании образцов производят только на одной из ветвей зависимости ΔZ=f(V).

  1.  Устройства для прецизионных перемещений зонда и образца

Одной из важных технических проблем в сканирующей зондовой микроскопии является необходимость прецизионного перемещения зонда и образца с целью образования рабочего промежутка микроскопа и выбора исследуемого участка поверхности. Для решения этой проблемы применяются различные типы устройств, осуществляющих перемещения объектов с высокой точностью. Широкое распространение получили различные механические редукторы, в которых грубому перемещению исходного движителя соответствует тонкое перемещение смещаемого объекта. Способы редукции перемещений могут быть различными. Широко применяются рычажные устройства, в которых редукция величины перемещения осуществляется за счет разницы длины плеч рычагов. Схема рычажного редуктора приведена на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1. Схема рычажного редуктора перемещений

Механический рычаг позволяет получать редукцию перемещения с коэффициентом

    (2.2.1)

Таким образом, чем больше отношение плеча L к плечу l, тем более точно можно контролировать процесс сближения зонда и образца.

Также в конструкциях микроскопов широко используются механические редукторы, в которых редукция перемещений достигается за счет разницы коэффициентов жесткости двух последовательно соединенных упругих элементов (рисунок 2.2.2). Конструкция состоит из жесткого основания, пружины и упругой балки. Жесткости пружины k и упругой балки K подбирают таким образом, чтобы выполнялось условие: k<K.

Рисунок 2.2.2. Схема пружинного редуктора перемещений

Из условия равновесия следует, что

,    (2.2.2)

где Δl и ΔL - смещения пружины и упругой балки. В этом случае коэффициент редукции равен отношению коэффициентов жесткости упругих элементов:

    (2.2.3)

Таким образом, чем больше отношение жесткости балки к жесткости пружины, тем точнее можно контролировать смещение рабочего элемента микроскопа.

  1.  Шаговые электродвигатели

Шаговые электродвигатели (ШЭД) представляют собой электромеханические устройства, которые преобразуют электрические импульсы в дискретные механические перемещения (дискретное вращение ротора). Важным преимуществом шаговых электродвигателей является то, что они обеспечивают однозначную зависимость положения ротора от входных импульсов тока, так что угол поворота ротора определяется числом управляющих импульсов. В ШЭД вращающий момент создается магнитными потоками, создаваемыми полюсами статора и ротора, которые соответствующим образом ориентированы друг относительно друга. Статор изготавливается из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет несколько полюсов. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы собраны из отдельных пластин, подобно сердечнику трансформатора. Вращающий момент пропорционален величине магнитного поля, которая определяется током в обмотках и количеством витков. Если одна из обмоток шагового электродвигателя запитана, то ротор принимает определенное положение. Выключая ток в данной обмотке и включая ток в другой, можно перевести ротор в следующее положение и т.д. Таким образом, управляя током обмоток, можно осуществлять вращение ротора ШЭД в шаговом режиме. Он будет находиться в этом положении до тех пор, пока внешний приложенный момент не превысит некоторого значения, называемого моментом удержания. После этого ротор повернется и будет стараться принять одно из следующих положений равновесия.

Наиболее простую конструкцию имеют двигатели с постоянными магнитами. Они состоят из статора, который имеет обмотки, и ротора, содержащего постоянные магниты. На рисунке 2.2.1.1 представлена упрощенная конструкция шагового электродвигателя. Чередующиеся полюса ротора имеют прямолинейную форму и расположены параллельно оси двигателя. Показанный на рисунке двигатель имеет 3 пары полюсов ротора и 2 пары полюсов статора. Двигатель имеет 2 независимые обмотки, каждая из которых намотана на два противоположные полюса статора. Показанный на рисунке 2.2.1.1 двигатель имеет величину шага 30 град. При включении тока в одной из обмоток ротор стремится занять такое положение, при котором разноименные полюса ротора и статора находятся друг напротив друга. Для осуществления непрерывного вращения нужно включать обмотки попеременно.

Рисунок 2.2.1.1. Шаговый электродвигатель с постоянными магнитами

На практике применяются шаговые электродвигатели, имеющие более сложную конструкцию и обеспечивающие от 100 до 400 шагов на один оборот ротора (угол шага 3.6 – 0.9 град.). Если такой двигатель работает в паре с резьбовым соединением, то при шаге резьбы порядка 0.1 мм обеспечивается точность позиционирования объекта порядка 0.25 - 1 мкм. Для увеличения точности применяются дополнительные механические редукторы. Возможность электрического управления позволяет эффективно использовать ШЭД в автоматизированных системах сближения зонда и образца сканирующих зондовых микроскопов.

  1.  Шаговые пьезодвигатели

Требования хорошей изоляции приборов от внешних вибраций и необходимость работы зондовых микроскопов в условиях вакуума накладывают серьезные ограничения на применение чисто механических устройств для перемещений зонда и образца. В связи с этим широкое распространение в зондовых микроскопах получили устройства на основе пьезоэлектрических преобразователей, позволяющих осуществлять дистанционное управление перемещением объектов.

Одна из конструкций шагового инерционного пьезодвигателя приведена на рисунке 2.2.2.1. Данное устройство содержит основание (1), на котором закреплена пьезоэлектрическая трубка (2). Трубка имеет электроды (3) на внешней и внутренней поверхностях. На конце трубки укреплена разрезная пружина (4), представляющая собой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлен держатель объекта (5) - достаточно массивный цилиндр с полированной поверхностью. Перемещаемый объект может крепиться к держателю с помощью пружины или накидной гайки, что позволяет устройству работать при любой ориентации в пространстве.

Рисунок 2.2.2.1. Шаговый пьезодвигатель

Устройство работает следующим образом. Для перемещения держателя объекта в направлении оси Z к электродам пьезотрубки прикладывается импульсное напряжение пилообразной формы. Характерная форма импульса управляющего напряжения приведена на рисунке 2.2.2.2.

На пологом фронте пилообразного напряжения трубка плавно удлиняется или сжимается в зависимости от полярности напряжения, и ее конец вместе с пружиной и держателем объекта смещается на расстояние

    (2.2.2.1)

Рисунок 2.2.2.2. Форма импульса управляющего напряжения шагового инерционного пьезодвигателя

В момент сброса пилообразного напряжения трубка возвращается в исходное положение с ускорением a, имеющим вначале максимальную величину:

    (2.2.2.2)

где ω - резонансная частота продольных колебаний трубки. При выполнении условия  (m - масса держателя объекта,  - сила трения между держателем объекта и разрезной пружиной), держатель объекта, в силу своей инерционности, проскальзывает относительно разрезной пружины. В результате держатель объекта перемещается на некоторый шаг KΔl относительно исходного положения. Коэффициент K определяется соотношением масс деталей конструкции и жесткостью разрезной пружины. При смене полярности импульсов управляющего напряжения происходит изменение направления движения объекта. Таким образом, подавая пилообразные напряжения различной полярности на электроды пьезотрубки, можно перемещать объект в пространстве и производить сближение зонда и образца в сканирующем зондовом микроскопе.


  1.  Измерительные методики СТМ
    1.  Топографический режим

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рисунок 3.1.1) – топографический режим, зонд перемещается вдоль поверхности в соответствии с изменением электронной плотности поверхности исследуемого образца, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z — электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z=f(x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рисунок 3.1.1. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока

  1.  Токовый режим

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z=const (токовый режим). В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рисунок 3.2.1). Сканирование производится либо при отключенной обратной связи (ОС), либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Рисунок 3.2.1. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного среднего расстояния

Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия.

Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда. С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

Рисунок 3.2.2. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

При сканировании поверхности образца зондом туннельного микроскопа (т.е. перемещении зонда в плоскости поверхности образца) измеряется протекающий в электрической цепи «зонд-образец» туннельный ток. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния между зондом и атомом поверхности позволяет использовать его в качестве величины, характеризующей это расстояние. На практике для этого используется цепь обратной связи, в которой изменение туннельного тока связывается с перемещением зонда микроскопа в направлении перпендикулярном поверхности образца: при уменьшении/увеличении туннельного тока обратная связь приближает/отводит зонд от поверхности до тех пор, пока не восстановится изначально заданное значение тока.

СТМ позволяет получать истинное атомарное разрешение даже в обычных атмосферных условиях. Характерные величины туннельных токов, регистрируемых в процессе измерений, являются достаточно малыми – вплоть до 0.03нА (а со специальными измерительными СТМ головками – до 0.01нА), что позволяет также исследовать плохо проводящие поверхности, в частности, биологические объекты.

Среди недостатков СТМ можно упомянуть сложность интерпретации результатов измерений некоторых поверхностей, поскольку СТМ изображение определяется не только рельефом поверхности, но также и плотностью состояний, величиной и знаком напряжения смещения, величиной тока.

  1.  Туннельная спектроскопия

Туннелирование – перенос заряда через потенциальный барьер — является сугубо квантовомеханическим эффектом. В физической интерпретации он может возникать между двумя проводниками, подключенными к источнику напряжения и разделенных тонким диэлектрическим барьером.

В основе работы СТМ лежит явление туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле (рисунок 3.3.1).

Рисунок 3.3.1. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер, величина которого определяется, в основном, значениями работы выхода электронов из материала зонда φp и образца φs. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

   (3.3.1)

Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

    (3.3.2)

где A0 — амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; At — амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ΔZ — ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

    (3.3.3)

где m — масса электрона, φ* — средняя работа выхода электрона, h – постоянная Планка. При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток.

Сканирующий туннельный микроскоп позволяет получать вольт-амперные характеристики (ВАХ) туннельного контакта зонд – поверхность в любой точке поверхности и исследовать локальные электрические свойства образца.

Для характерных напряжений на туннельном контакте порядка 0,1-1 В и туннельных токов на уровне 0,1-1 нА сопротивление туннельного контакта по порядку величин составляет 108-1010 Ом. Как правило, сопротивление исследуемых в СТМ образцов существенно меньше сопротивления туннельного контакта, и характер ВАХ определяется в основном свойствами небольшой области образца вблизи туннельного контакта.

Характер туннельной ВАХ существенно зависит от энергетического спектра электронов в образце. На рисунке 3.3.2 приведена энергетическая диаграмма туннельного контакта двух металлов.

В процессе туннелирования участвуют, в основном, электроны с энергией в окрестности уровня Ферми EF. Энергией Ферми называется энергия, ниже которой все состояния частиц или квазичастиц для системы, подчиняющейся статистике Ферми-Дирака, заполнены, а выше — пусты (при абсолютном нуле температуры). При прямом смещении (рисунок 3.3.2) электроны туннелируют из заполненных состояний зоны проводимости зонда на свободные состояния зоны проводимости образца. При обратном смещении электроны туннелируют из образца в зонд. Величина туннельного тока определяется напряжением смещения, коэффициентом прозрачности барьера и плотностью состояний вблизи уровня Ферми.

Рисунок 3.3.2. Энергетическая диаграмма контакта двух металлов: слева – состояние термодинамического равновесия, справа – между металлами имеется разность потенциалов V

Исследования локальных туннельных спектров различных материалов проводят, как правило, в условиях высокого вакуума (поскольку туннельный ток очень чувствителен к состоянию поверхности исследуемых образцов) и при низких температурах (так как тепловые возбуждения сильно размывают особенности в электронных спектрах).

ВАХ контакта металл-металл

В случае контакта двух металлов выражение для плотности туннельного тока (в одномерном приближении):

(3.3.4)

где ,         (3.3.5)

j – плотность туннельного тока;

φ* - средняя работа выхода электрона;

ΔZ – ширина барьера.

При условии малости напряжения смещения (eV<φ), выражение для плотности тока можно представить в более простом виде. Линеаризуя вторую экспоненту в выражении (3.3.4) по параметру eV , получаем

(3.3.6)

Наконец, пренебрегая членом eV по сравнению с φ*, выражение для плотности тока можно записать следующим образом:

 (3.3.7)

Поскольку экспоненциальная зависимость очень сильная, то для оценок и качественных рассуждений часто пользуются упрощенной формулой

,   (3.3.8)

в которой величина j0(V) считается не зависящей от изменения расстояния зонд-образец. Для типичных значений работы выхода (φ~4 эВ) значение константы затухания k=2 Å-1, так что при изменении ΔZ на ~1 Å величина тока меняется на порядок. Реальный туннельный контакт в СТМ не является одномерным и имеет более сложную геометрию, однако основные черты туннелирования, а именно экспоненциальная зависимость тока от расстояния зонд-образец, сохраняются также и в более сложных моделях, что подтверждается экспериментально.

Для больших напряжений смещения (eV>φ*) из выражения (3.3.4) получается хорошо известная формула Фаулера-Нордгейма для полевой эмиссии электронов в вакуум:

.   (3.3.9)

Типичная ВАХ, наблюдаемая для туннельного контакта металл - металл, изображена схематически на рисунке 3.3.3.

Рисунок 3.3.3. Характерный вид ВАХ туннельного контакта металл - металл

Как видно из рисунка 3.3.2, вольт-амперная характеристика туннельного контакта металл - металл нелинейна и, как правило, практически симметрична.

ВАХ контакта металл - полупроводник

Полупроводниковые образцы имеют более сложную структуру энергетического спектра электронов (рисунок 3.3.4).

Наличие запрещенной зоны и примесных уровней в спектре полупроводниковых материалов делает ВАХ туннельного контакта металл – полупроводник сильно нелинейной. Существенный вклад в туннельный ток дают также поверхностные состояния и уровни энергии, связанные с адсорбированными на поверхности чужеродными атомами. Поэтому исследования локальных туннельных спектров полупроводниковых материалов проводят в условиях высокого вакуума. Неконтролируемое присутствие на поверхности адсорбированных атомов сильно усложняет интерпретацию получаемых в эксперименте туннельных спектров. Кроме того, тепловые возбуждения приводят к значительному уширению дискретных уровней энергии, соответствующих локализованным состояниям, а также сильно размывают положение краев зоны проводимости и валентной зоны.

Туннельные спектры позволяют определить положения краев зоны проводимости и валентной зоны относительно уровня Ферми, а также идентифицировать спектральные пики, связанные с примесными состояниями внутри запрещенной зоны полупроводников.

 

Рисунок 3.3.4. Энергетическая диаграмма и ВАХ туннельного контакта

металл - полупроводник

ВАХ контакта металл - сверхпроводник

В сверхпроводящих материалах при температурах ниже критической происходит фазовый переход, сопровождающийся перестройкой энергетического спектра электронов. При низких температурах электроны образуют так называемые куперовские пары и конденсируются на уровне, отстоящем на величину Δ от зоны проводимости. Энергетическая диаграмма контакта металл - сверхпроводник приведена на рисунке 3.3.5.

При прямом смещении туннельный ток через контакт возникает только при напряжениях еV > Δ. Для простоты, считаем барьер тонким, так что на нем не происходит падения потенциала. В этом случае электроны из зонда туннелируют на свободные состояния сверхпроводящего образца.

При обратном смещении картина туннелирования немного сложнее. Поскольку при туннелировании энергия системы сохраняется, то процесс туннелирования в этом случае происходит следующим образом: куперовская пара расщепляется, при этом один электрон уходит с потерей энергии на свободное состояние вблизи уровня Ферми металла, а второй, приобретая энергию Δ, переходит на возбужденное состояние в спектре сверхпроводника. Таким образом, вольт-амперная характеристика туннель-ного контакта металл - сверхпроводник при температуре Т=0 содержит две ветви при |eV|>Δ (рисунок 3.3.6). Соответствующая плотность состояний в спектре сверхпроводника приведена на рисунке 3.3.6.

Рисунок 3.3.5. Энергетическая диаграмма контакта металл - сверхпроводник

Рисунок 3.3.6. ВАХ контакта металл - сверхпроводник и плотность состояний сверхпроводника при Т=0

При температурах, отличных от нуля, энергетический спектр сверхпроводника частично размывается, так что в реальных вольт-амперных характеристиках спектральные особенности сверхпроводников выражены менее четко.

Одним из приложений сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии является исследование неоднородности электрических свойств образцов сложного состава. В этом случае совместный анализ морфологии поверхности и вольт-амперных характеристик, снятых в различных точках поверхности, позволяет судить о распределении различных фаз на поверхности композитных структур, исследовать корреляции между технологическими параметрами их получения и электронными свойствами. В частности, снимая ВАХ в различных точках поверхности, можно исследовать распределение сверхпроводящей фазы в образцах неоднородного состава.


Заключение

Сканирующая зондовая микроскопия – один из самых современных методов исследования свойств поверхности. Зондовые микроскопы позволяют, используя результаты традиционных технологий, продвинуться к созданию уникальных функциональных нанообъектов, в том числе элементов наноэлектроники. Такой путь развития нанотехнологий выгодно отличается тем, что он позволяет одновременно и контролировать, и визуализировать процессы нанотехнологии.

В данной работе был рассмотрен один из видов сканирующих зондовых микроскопов – сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.


Список используемой литературы

  1.  Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии / М., 2004 г. - 110 с.
  2.  Дедкова Е.Г., Чуприк А.А Приборы и методы зондовой микроскопии. Московский физико-технический институт г. Москва, 2011 г. – 160 с.
  3.  Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии: Учебное пособие / Москва, МГИЭТ (ТУ), 1996 г. - 91 с.
  4.  Бахтизин Р.З., Галлямов Р.Р. Физические основы сканирующей зондовой микроскопии / Уфа, РИО БашГУ, 2003 г. - 82с.
  5.  Туннельные явления в твердых телах/ под ред. Э.Бурнштейна и С.Лундквиста. Москва, Мир, 1973 г. - 422 с.
  6.  Галлямов М.О., Яминский И.В. Сканирующая зондовая микроскопия: основные принципы, анализ искажающих эффектов.
  7.  Бобринецкий И.И., Неволин В. К. Зондовая микроскопия в нанотехнологии / М., 2008 г. – 252 с.
  8.  Быков В.А. Микромеханика для сканирующей зондовой микроскопии // Микросистемная техника. -2000. -№1. -C. 21-33.
  9.  Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур // СПБ: -Наука. -2001.
  10.  Дедков Г.В. Физические аспекты взаимодействий зонд– поверхность в сканирующей зондовой микроскопии. Часть 1. //Нано- и микросистемная техника. -2006. -№8; Часть 2 // Нано- и микросистемная техника. – 2006.-№9.


Приложение А

Рисунок А1: а - принцип действия СТМ: рx , рy , рz - пьезоэлементы; - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; It - туннельный ток; б - схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения Vs , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента рz . Запись осциллограммы напряжения Vz в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца


Приложение Б

Рисунок Б1 СТМ-изображение поверхности золота Au(110)

а - изображение, полученное в режиме линейной шкалы, на котором отчетливо видны ряды атомов и в то же время наблюдается определенное разупорядочение: узкие полосы с реконструкцией перемешаны с полосами и (показаны цифрами), а также с линиями ступеней. Заметим, что исторически это самое первое СТМ-изображение с атомным разрешением, полученное Биннигом и Рорером в марте 1982 года, однако оно сравнительно долгое время оставалось неопубликованным (Surf. Sci. 1983. Vol. 131. P. L379) отчасти из-за более впечатляющих СТМ-изображений поверхности Si(111)- (см. рис. 3), полученных осенью того же года; бљ- структурная модель поверхности Au(110); вљ- впоследствии атомная структура поверхности Au(110) сравнительно легко наблюдалась в режиме "серой" шкалы

PAGE   \* MERGEFORMAT4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35243. Інтерполяційні формули через розділені різниці 56.5 KB
  Мета.Навчитися знаходити значення функції при даному значенні аргумента, використовуючи інтерполяційні формули Н’ютона через розділені різниці
35245. Формули Н’ютона через кінцеві різниці 69.5 KB
  Мета. Навчитися обчислити значення функції при даному значенні аргумента, використовуючи формули Н’ютона через кінцеві різниці.
35248. Тема: Знаходження значення інтеграла по формулам НьютонаКотеса. 25 KB
  Мета: Навчитися знаходити значення інтеграла по формулам Ньютона-Котеса. Скласти програму.